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[原创]VirtualHook: 基于VirtualApp的Java代码hook工具
2017-4-1 10:16 34243

[原创]VirtualHook: 基于VirtualApp的Java代码hook工具

2017-4-1 10:16
34243

对于Android应用安全研究人员来说,Xposed想必一定不陌生。作为一款流行的应用hook框架,Xposed允许对应用进行无感知的hook。许多实用工具,例如早期的脱壳工具Zjdroid,关闭证书强校验的JustTrustMe,Android恶意应用分析沙盒Cuckoo-Droid等,均是通过Xposed完成。


然而,从Android 5.0时代起,DVM模式被ART模式取代,代码执行的机制进行了大量的变动。在ART模式下安装Xposed,不仅要求root权限,而且需要替换大量的系统库,因此其使用门槛大幅提高。


为此,我们研究并实现了一套ART模式下的hook工具:VirtualHook。通过这套工具,我们无需root权限,便可对应用进行无感知的hook。本文便对这套工具进行基本的介绍。


基本原理


VirtualHook是基于以下两个框架实现的:

1. VirtualApp,这是一套插件框架,允许应用以插件的方式运行在其构造的虚拟空间中,而无需实际安装应用

2. YAHFA,这是一套hook框架,实现了ART环境下的Java方法hook


下面将对其分别进行介绍。


VirtualApp


首先,hook是什么?hook就是在应用运行过程中,注入外部的代码,从而改变原有的执行流程。因此,应用中必须存在注入代码的窗口。

例如,使用了热修复技术的应用,就是在启动时加载并应用外部的补丁代码,这类应用便是本身自带了注入代码的窗口。但是,对于逆向分析或安全研究而言,所面对的通常是一个黑盒App,我们并不知道其
是否存在注入代码的窗口,或者存在但无法被利用。为此,我们必须要额外地为应用添加注入代码的窗口。Xposed便是这样做的:它修改了系统库,对所有应用在启动时添加了注入窗口。但是,这就需要具有root权限。

那么,如何在不具有root权限的情况下实现呢?这就需要用到VirtualApp了。VirtualApp的工作原理介绍可见这篇文章,简而言之,它通过代理常用系统服务的方式,在系统服务层与应用层之间添加了一层虚拟空间,从而允许在不安装应用的情况下运行应用。特别地,VirtualApp本身并不需要root权限。

利用VirtualApp提供的虚拟空间,我们就可以实现很多事情了。应用启动时,会初始化Application,此时会在应用所在的进程中调用bindApplication()。而VirtualApp重写了相关代码,那么我们就可以在把注入代码的窗口放在这里,从而实现应用启动时,加载外部的hook代码。


其具体实现也非常简单,在类VClientImpl的方法bindApplicationNoCheck()中,完成了对应用Application的创建:

...
    try {
        mInstrumentation.callApplicationOnCreate(mInitialApplication);
        PatchManager.getInstance().checkEnv(HCallbackHook.class);
        if (conflict) {
            PatchManager.getInstance().checkEnv(AppInstrumentation.class);
        }
        Application createdApp = ActivityThread.mInitialApplication.get(mainThread);
        if (createdApp != null) {
            mInitialApplication = createdApp;
        }
    } catch (Exception e) {
        if (!mInstrumentation.onException(mInitialApplication, e)) {
            throw new RuntimeException(
                "Unable to create application " + mInitialApplication.getClass().getName()
                        + ": " + e.toString(), e);
        }
    }
    VActivityManager.get().appDoneExecuting();
}


我们只需要在这个方法的末尾处,添加注入窗口即可。从而,所有在VirtualApp中运行的应用,都会被附加上注入窗口。所以,本文所说的非root权限hook应用,更准确来说,hook的是在VirtualApp中运行的应用。


YAHFA


通过上述介绍,我们大致明白了如何通过VirtualApp实现非root环境下注入窗口的添加。那么接下来就需要考虑注入窗口的实现,以及如何完成目标方法的替换了,而这便是hook框架的工作。


我们调研了几款hook框架,包括Xposed, AndFix和Legend,但发现如果在这里使用的话,多少都存在一定的问题:

1. Xposed需要进行大量的代码变更,过于复杂,而且方法执行的额外开销会增多
2. AndFix的代码量相对较小,但其进行了方法的全部替换,不支持原方法的调用;对于热修复来说也许影响不大,但对于逆向分析来说,很多时候我们是通过hook来插桩,所以原方法必须要备份以执行
3. Legend与AndFix的实现方式基本一致,但试用后发现存在某些方法解析失败的问题

于是,我们重新设计实现了一套hook框架,即YAHFA(Yet Another Hook Framework for ART),专门用于这里的代码hook。关于YAHFA的具体工作原理,可见这篇介绍

至此,我们有了插件框架和hook框架,将其简单地集成,便得到了最终的hook工具,VirtualHook。其具有如下优点:

1. 支持ART模式,事实上也只支持ART,因为这就是其设计的出发点,DVM模式下用Xposed就OK了。
2. 无需root权限。由于我们是通过VirtualApp为应用添加代码注入窗口,所以不需要修改系统本身的库,因此不需要root权限,安装难度降低。
3. 轻量。YAHFA的工作目标,就是高效地运行hook。hook方法执行所带来的额外开销仅有2、3条机器指令,执行原方法时甚至没有额外的开销。
4. 方便。由于是在VirtualApp中完成hook,因此添加或删除hook插件后,不需要像Xposed那样重启设备,只需要退出目标应用再重新进入即可。
5. 精细。理论上来说,可以加载多个hook插件,甚至对不同应用使用不同hook插件。配合VirtualApp应用多开,能够更精细地控制hook的行为。


示例


在VirtualHook的repo中,已经包含了一个示例用的hook插件demoHookPlugin,这个插件对以下方法进行了插桩:

AssetManager.open()
File()
URL.openConnection()

编译这个hook插件,会得到一个apk,将其保存到设备SD卡的指定位置以待加载。随后启动VirutalHook,添加并运行应用。在应用的日志中,便能看到插桩打印的日志,将上述方法调用时传入的参数打印出来。


由于VirtualHook使用的是YAHFA作为hook框架,因此hook插件的编写需要参考YAHFA的规则,具体可见YAHFA的demoPlugin


其他说明


由于VirtualHook是VirtualApp与YAHFA的集成,因此其适用范围就是两者的交集:目前支持的系统是Android 5.1和6.0,支持的架构是armeabi和x86。由于VirtualHook的出发点是便于安全研究,因此适配度不是其考虑的主要问题。


特别地,对于加固应用的hook,目前使用上述的demoHookPlugin试验了360,腾讯,梆梆和爱加密。除了梆梆之外,其他加固的应用均可被hook(爱加密把非错误的日志打印全部重定向了,所以必须通过Log.e()打印日志)。梆梆加固的应用,在VirtualApp上无法运行,因此作为其下游的VirtualHook,目前对梆梆加固的应用也无法使用。希望能够有人研究解决这一问题。


另一方面,目前VirtualHook只是对Java方法进行hook。实际上,VirtualApp中自带了对native方法进行hook的功能,看雪上已经有利用该功能进行应用脱壳的实践了。后续可以将native hook一并整合起来,使VirtualHook的功能更强大。


最后放上代码地址。目前主要是作为思路验证和PoC的形式,所以其易用性和稳定度还有待提高。希望大家在试用中能够发现问题共同解决,以期将VirtualHook打造成为更加实用的工具。


参考资料


https://github.com/asLody/VirtualApp

https://github.com/rk700/VirtualHook

https://github.com/asLody/legend

https://github.com/alibaba/AndFix

https://github.com/rovo89/android_art


[注意]中秋好礼,诚意满满——你提意见,我送月饼!!

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bengou 活跃值 2017-4-1 11:13
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